使用SensorTile.box进行火山事件检测

在这篇文章中，我们解释了基于SensorTile.box的应用程序如何能够检测到2021年12月23日埃特纳山发生的4.3级地震。文章由罗萨里奥·卡塔尼亚创建目录

1. 介绍
2. 关于SensorTile.box
3. 在现场使用
4. 数据收集
5. 记录地震
6. 对未来的设想
7. 其他资源

 

1. 介绍

在这项工作中，我们比较了使用不同技术建造但位于同一地点的不同传感器，这些传感器每天24小时获取一些物理参数的数据，以测试MEMS传感器的准确性、可靠性和质量。之所以将它们进行比较，是因为它们价格低廉，只需很少的能量，可以在需要时激活，并且由于智能手机的应用，它们提供了在现场使用的可能性，而且非常简单。集成在STMicroelectronics制造的SensorTile.box中的MEMS胶囊用于埃特纳火山，该火山具有活跃的地球动力学环境，非常适合测试传感器的动态组件以应对地球物理应力。在测试期间，埃特纳火山熔岩喷泉之间发生了许多事件（2021年超过50起），导致火山震动、地面持续振动和地震群急剧增加。2021年12月23日，火山南郊发生4.3级地震，SensorTile.box首次探测到。

2. 关于SensorTile.box

传感器Tile.box（STEVAL-MKSBOX1V1）是一款集成了多个传感器（包括一些MEMS）的开发板，用于检测旋转、加速度、倾斜变化、磁场矢量以及测量环境物理参数，如温度、湿度和压力。但由于微型MEMS麦克风，它也包含用于获取音频信号的传感器。
SensorTile.box由锂聚合物电池供电，配有蓝牙连接、微型USB端口和用于将数据记录到microSD卡的插槽。SensorTile.box的编程非常简单，这要归功于“STBLESensors”应用程序的直观图形界面，可从Android和iOS应用商店下载。Etna测试版本中使用的固件已根据适用于地球物理领域的规范进行了编程。有关SensorTile.box上签名的传输，请参阅STSW-MKSBOX1_BL指南。
各种现成的应用程序包括：

• Pedometer针对皮带定位进行了优化
• 使用云AI学习检测婴儿哭闹
• 环境晴雨表/监测
• 车辆/货物跟踪
• 振动监测
• 指南针和测斜仪
• 传感器数据记录器

该板包含以下高精度传感器：

• 数字温度传感器（STTS751）
• 6轴惯性测量单元（LSM6DSOX）iNEMO惯性模块
• 三轴加速度计（LIS2DW12和LIS3DHH）
• 三轴磁力计（LIS2MDL）
• 高度计/压力传感器（LPS22HH）
• MEMS麦克风/音频传感器（MP23ABS1）
• 湿度传感器（HTS221）

有关的更多信息传感器Tile.box请参阅STEVAL-MKSBOX1V1的官方页面。
 

3. 在现场使用

埃特纳有一些有趣的地质元素可以用传感器进行实验，比如活跃的地震断层或火山口边缘。这些是地面运动，如果加速度计足够灵敏，可以检测到。即使是火山爆发，如果之前发生了强度增加的地震，也会导致土壤的普遍运动，并在其表现出来的那一刻引发地震。这是应用该技术的场景，将土壤的加速度作为拦截运动的有用参数；但在某些情况下，测量由于角力引起的表面倾斜或平面旋转的变化是有用的。在其他情况下，测量环境参数可能是有用的。一些用于初步测试的地点选择在电力短缺的偏远地区，以测试在电池上安装长期工作的廉价传感器的可能性。
远程录音设备面临的最大挑战是单靠电池长时间运行，尤其是在低温和下雪的冬季。采用最佳策略是我们通过测试学到的东西。完全了解SensorTile.box硬件，可以定制适合每个场景的固件。为此，决定使用一种设置，其中LSM6DSOX芯片充当哨兵，使加速度计和微控制器处于休眠状态。发生加速事件时克接地，但超过设定阈值，微控制器被唤醒，启动数据收集从3轴属于并将它们记录在SD卡上足够的时间用于分析， 这是在后方完成的。  

4. 数据收集

在地球物理学中，地震检波器是一种能够测量地震事件（地震）的一个或三个轴向分量的设备，而垂直分量是最广泛的。我们使用的是ZF-4.5HZ胶囊型，虽然经济，但非常灵敏，能够检测微弱的地面振荡。由于对该胶囊的响应有很高的了解，ZF-4.5HZ被用作与MEMS传感器进行比较的参考，并被放置在其侧面。由于结构不同，这两个传感器具有不同的灵敏度，但垂直地震检波器的存在可以提供事件的进一步指示，然后将数据与国家地球物理和火山研究所的永久站的数据进行交叉，试图了解相同的数据是自然还是人工来源，通常与人类活动有关。它还用于估计具有特定设置配置的加速度计的灵敏度水平。SensorTile.box的最大优点是船上有一个数据处理单元和一个带即用文件的数字输出，而检波器必须配备一个低噪声放大器和一个用于产生最终数据的信号采集和处理系统；在我们的案例中，是一张声卡和一台windows PC。在2021年12月23日的地震中，地震检波器记录了4.3级的主要事件和此处所附的图像（通过免费软件Spectrum Lab获得)，显示了下面黄色框内可见的光谱。还有其他脚印，但强度较小，是涉及该地区的地震群。对最强事件（莫塔S.阿纳斯塔西娅）进行了分析。  

5. 记录地震

分析中的地震发生在意大利时间22时33分，震中周围的居民也有震感。在接下来的几天里，分析了SD卡，其中包含记录文件，并在其中搜索了地震事件日期/时间产生的文件。在开始录制之前，SensorTile.box已通过蓝牙与SMARTPHONE应用程序同步。该设置与在远程单元中测试的设置相同，因此我们继续以图形形式处理数据。由此可知，LSM6DSOX芯片中包含的加速度计和陀螺仪的轴在Z轴上显示出振动开始的明显印记，Z轴代表加速度的垂直轴因此可与垂直胶囊检波器相媲美。安装过程中，SensorTile.box与地面平行放置，方向为X>EST，Y>NORD轴，以获得传感器在空间中位置的正确信息。
 
下面用一个红色圆圈突出显示了2021年12月23日地震的印记，该圆圈由加速度计和陀螺仪记录。

6. 对未来的设想

经过第一阶段的远程测试，我们正在开发SensorTile.box作为高频振动计的新应用，该系统始终使用6.6KHz的加速度计进行采集，但由太阳能电池板、存储系统供电，并在windows PC的硬盘上进行记录。更高的频率和连续的采集将使我们在事件发生时更快、更准确，尽管在成本和消耗方面表现较差。目标是了解硬件在场景定义的所有可能情况下的行为，并找到对远程单元进行编程的最佳设置。
这个LSM6DSOXSensorTile.box中的传感器正在Etna上进行实验测试，该传感器记录了地震群主要事件期间的振动，应用了研究团队为应用于地球物理领域而设计的采样规范，并在自定义固件中进行了编程。这是埃特纳地震事件自动记录的一个具体案例，是用一个专为其他用途设计的开发工具包获得的，但由于其广泛的灵活性，它提供了有趣的技术发展。检波器被证实是有效和敏感的工作工具，即使是微弱的地震事件也可以捕捉，但MEMS机制等新的硅技术代表了一个新的前沿，鉴于其低成本和低能耗，它们可以用于难以进入的偏远地区，如埃特纳火山或其他火山。它们可用于监测活动断层的运动，或收集洞穴内的环境数据，或收集活动火山口边缘的振动数据。SensorTile.box提供了有趣的开发空间，这要归功于其内部存在其他加速度计，如三轴加速度计（LIS2DW12和LIS3DHH）。
这是一个技术如何激发想法和项目的例子，以及这些想法和项目如何反过来发展新技术。

7. 额外资源

• SensorTile.box官方页面STEVAL-MKSBOX1V1
• 视频：SensorTile.box入门
• 运动主动时间库在X-CUBE-MEMS1中的应用和功能